湘南稻作烟区不同土层土壤有机质含量与氮磷钾关系研究

周启运 郑重谊 荊永锋 刘勇军 彭曙光陈 焘 刘智炫 胡瑞文 周清明 黎 娟

（1湖南农业大学农学院，410128，湖南长沙；2湖南中烟工业有限责任公司技术开发中心，410109，湖南长沙；3湖南省烟草科学研究所，410004，湖南长沙）

烟稻轮作是湖南省一种常见的种植模式，该模式对协调土壤养分、减少病虫害发生以及提高烟草和水稻的产质量具有明显的促进作用[1]。土壤中有机质是反映土壤肥力，特别是土壤供氮能力的重要指标，其含量的高低对烟草的生长发育、经济性状和质量有直接的影响[2-3]。刘逊等[4]对湘西植烟土壤有机质的研究发现，不同植烟土壤类型、海拔以及pH的植烟土壤有机质含量差异达显著水平。黄新杰等[1]研究发现，湖南有机质含量空间变异较为明显，主要表现为湘南>湘东>湘北>湘中>湘西。向世鹏等[5]、唐春闺等[6]、邓小华等[7]和张一扬等[8]分别研究了湘西、长沙、邵阳和靖西地区有机质与其他养分的时空变异特征，发现植烟土壤表层有机质含量近年来呈上升趋势。

土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的丰缺状况直接关系到烤烟质量、产量和经济效益[9-10]，因此了解有机质与速效养分的相互关系对烤烟生产和科学合理施肥具有重要的意义。目前，国内外学者针对土壤有机质的研究主要集中在耕作层（0～20cm），关于剖面土壤有机质含量的变化及其与主要养分关系的研究较少。鉴于此，本研究分析比较了湘南烟区植烟土壤有机质的垂直分布特征，并比较不同土层深度和有机质含量下的碱解氮、有效磷和速效钾含量，同时分析了不同土壤深度下有机质含量与土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量的相关关系，旨在为湘南烟区的精准施肥以及植烟土壤养分平衡管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2017年底进行样品采集，要求在翻耕前，同时避开雨季，选择湘南3个主要稻作烟区，即长沙、衡阳和郴州，选择具有代表性的田块各10个，使用50cm钻土器（型号：QTZ-1，直径7.5cm），按照多点取样法钻取0.0～50.0cm的土柱，将采集的每个土柱分成 0.0～10.0、10.1～20.0、20.1～30.0、30.1～40.0和40.1～50.0cm共5个土层，共采集150个土样。

将0.0～50.0cm土层分为0.0～20.0（表土层）、20.1～30.0（亚表土层）和30.1～50.0cm（中土层），其中，表土层的数据由0.0～10.0和10.1～20.0cm土层的数据平均后得出，中土层的数据由30.1～40.0和40.1～50.0cm土层的数据平均后得出。

1.2 土壤有机质等级划分

参照陈江华等[11]建立的土壤主要养分状况丰缺体系等级划分，将植烟土壤有机质的丰缺程度划分为缺乏（＜15.00g/kg）、偏低（15.00～25.00g/kg）、适宜（25.01～35.00g/kg）、偏高（35.01～45.00g/kg）和丰富（＞45.00g/kg）5个等级。

1.3 土壤样品前处理及指标测定

将土壤样品自然风干，研磨后过50和100目筛，混匀装瓶备用。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量；采用扩散吸收法测定碱解氮含量；采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定有效磷含量；采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定速效钾含量。测定方法参考《土壤农化分析》[12]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 2018软件进行数据处理和绘图，采用IBM SPSS Statistics 24软件进行显著性分析和线性相关分析。

2 结果与分析

2.1 湘南土壤有机质含量分布特征

由表1可知，湘南稻作烟区0.0～50.0cm土层土壤有机质含量均值为25.80g/kg，处于适宜水平，变异系数为 58.98%，属于中等程度变异。其中28.67%的样本处于缺乏水平，26.00%的样本处于偏低水平，20.67%的样本处于适宜水平，8.67%的样本处于偏高水平，16.00%的样本处于丰富水平。从不同土层来看，表土层（0～20cm）有机质含量均值为35.49g/kg，其中73.33%的样本处于适宜及以上水平；亚表土层（20～30cm）有机质含量均值为22.84g/kg，属于偏低水平，变异系数为60.00%，其中 36.66%的样本处于适宜及以上水平；中土层（30～50cm）有机质含量均值为17.65g/kg，属于偏低水平，变异系数为74.44%，仅有21.67%的样本处于适宜及以上水平。以上说明，湘南烟区有机质含量整体处于适宜水平，表土层有机质富集化现象明显，亚表土层及中土层土壤有机质亏缺严重，分别有63.34%和78.33%样本处于缺乏和偏低水平，随着土壤加深，有机质亏缺程度加深。

表1 湘南烟区植烟土壤有机质含量分布特征Table 1 Distribution characteristics of organic matter content in tobacco-growing soils in southern Hunan

2.2 湘南稻作烟区有机质分区比较

由图1可知，将长沙、衡阳和郴州3个稻作烟区的有机质含量和垂直分布进行比较，不同烟区表土层有机质含量以郴州最高，长沙最低，且郴州和衡阳的有机质含量极显著高于长沙，分别较长沙高出86.40%和62.97%；亚表土层有机质含量以衡阳最高，长沙最低，且郴州和衡阳的有机质含量极显著高于长沙，分别较长沙高出124.43%和145.26%；中土层有机质含量以衡阳最高，长沙最低，且衡阳和郴州的有机质含量极显著高于长沙，分别较长沙高出132.52%和145.12%。

图1 不同土层有机质含量的分区比较Fig.1 Zoning comparison of organic matter content from different soil layers

2.3 不同土层有机质含量下的碱解氮、有效磷和速效钾含量比较

2.3.1 表土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾含量的比较 由图2可知，随着有机质水平的提升，碱解氮含量也随之上升，碱解氮在不同有机质水平下存在着极显著性差异，其含量在有机质含量处于25.01～35.00g/kg、35.01～45.00g/kg和＞45.00g/kg水平下分别较有机质含量处于 15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下高出22.18、22.37和12.44个百分点。随着有机质水平的上升，有效磷含量并没有出现较大幅度提升，而是维持在一个水平。随着有机质水平的上升，速效钾含量表现为先上升后下降的趋势，当表土层有机质为35.01～45.00g/kg时，速效钾含量最高。

2.3.2 亚表土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾含量的比较 由图3可知，亚表土层中，随着有机质水平的提升，碱解氮含量也随之上升，且有机质含量＞45.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下存在极显著差异，在＜15.00g/kg、15.00～25.00g/kg和25.01～35.00g/kg水平下存在显著差异，碱解氮含量在有机质含量处于 15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg、35.01～45.00g/kg和＞45.00g/kg水平下分别较有机质含量＜15.00g/kg、15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下提高65.28%、30.22%、9.82%和30.60%。随着有机质水平的上升，有效磷含量并没有出现较大幅度的变化，而是维持在一个相对稳定的水平。随着有机质水平的上升，在有机质含量＞45.00g/kg水平下速效钾含量高于有机质15.01～25.00g/kg和＜15.00g/kg水平，且存在着显著性差异。在有机质含量＞45.00g/kg水平时，速效钾和碱解氮的含量最高。

图3 亚表土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾含量的比较Fig.3 Comparison of the contents of alkali hydrolysis N, available P and available K in different grades of organic matter in sub-topsoil

2.3.3 中土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾含量的比较 由图4可知，将中土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾的含量进行比较，在中土层中，随有机质水平的提升，碱解氮含量也会随之上升，在有机质＞45.00g/kg水平下碱解氮含量显著高于其他有机质水平下的氮含量；有效磷含量并没有出现较大幅度的变化，而是维持在一个水平上；速效钾含量平稳上升，在不同有机质水平下存在极显著性差异。

图4 中土层不同等级有机质条件下碱解氮、有效磷和速效钾含量的比较Fig.4 Comparison of the contents of alkali hydrolysis N, available P and available K in different grades of organic matter in middle soil layer

2.4 不同土层有机质含量与碱解氮、有效磷、速效钾含量的相关性

2.4.1 不同土层有机质与碱解氮的相关性 由图5可知，不同土层中碱解氮含量随有机质含量的增加而增加，且存在极强的线性相关关系，相关系数分别为0.9280、0.9106和0.8815。有机质含量与碱解氮含量在不同土层都存在极强的相关关系，且拟合优度随着土层深度而降低，拟合优度最高的是表土层，R2值达到0.8612，回归直线对观测值的拟合程度较好，符合线性加平台模型。

图5 不同土层土壤有机质含量与碱解氮含量的线性相关分析Fig.5 Linear correlation analysis of soil organic matter content and alkali hydrolysis N content in different soil layers

2.4.2 不同土层有机质含量与有效磷含量的相关性 由图6可知，土壤有机质与有效磷在表土层、亚表土层以及中土层中的相关系数分别为0.0529、0.3240和0.1005，P值分别为0.780、0.081和0.597，说明两者间无显著相关关系。

图6 不同土层土壤有机质含量与有效磷含量的线性相关分析Fig.6 Analysis of linear correlation between soil organic matter content and available P content in different soil layers

2.4.3 不同土层有机质含量与速效钾含量的相关性 由图7可知，不同土层中速效钾含量随有机质含量的增加而增加，在表土层、亚表土层以及中土层中相关系数分别达到0.4129、0.4902、0.5136。在表土层中有机质含量与速效钾含量呈显著的正相关关系，在亚表土层和中土层土壤有机质含量与速效钾含量呈现极显著的正相关关系，随着土壤深度增加，相关性有增强的趋势。

图7 不同土层土壤有机质含量与速效钾含量的线性相关分析Fig.7 Analysis of linear correlation between soil organic matter content and available K content in different soil layers

3 讨论

烟稻轮作模式能够合理协调土壤养分，减少病虫害的发生，有利于作物优质高产及促进区域农业经济可持续发展。杨贤海等[13]发现烟稻轮作能在一定程度上阻止旱旱轮作带来的土壤肥力下降趋势，并且能降低烟草土传真菌病害的传播速度以及促进植烟土壤的可持续利用。

生产优质烤烟的植烟土壤有机质含量以中等为宜。美国植烟土壤有机质含量一般在 20～25g/kg之间，巴西和津巴布韦等国植烟土壤有机质含量一般不高于20g/kg[14]。本研究结果表明，湘南稻作烟区耕作层土壤有机质含量处于偏高水平，其中表土层中有73.33%的样本有机质含量处于适宜及以上的水平，湘南植烟土壤有机质存在着表面富集化现象。这可能是由于施用的有机肥、根系和留茬、秸秆等留在了耕作层，增加了耕作层的有机质含量[15]。再者，秸秆还田等外源有机物质的输入对增加表层土壤有机质含量起到了显著作用，而底层由于受人为耕作影响较小，外源有机物质很难进一步往下迁移，导致底层有机质不断矿化减少[16]。本研究结果表明，在亚表土层和中土层中分别仅有 36.66%和21.67%的样本有机质含量处于适宜及以上水平，亚表土层和中土层土壤有机质含量分别较表土层下降了35.64%和22.72%，可见土壤有机质在亚表土层发生了较大幅度的下降。有研究[17-18]指出，有机质含量过高或者过低对烟草的生长发育都会产生不良的影响，土壤只有在有机质含量适宜的条件下，才能生产出高质量的烟叶。近些年来，湖南省耕作层土壤有机质含量呈增加的趋势，而表层以下有机质含量呈现下降趋势，刘智炫等[19]研究发现，近年来湘南稻作烟区耕作层深度为12.6cm，明显低于全国平均水平的 16.5cm[20]。张一扬等[8]研究发现，可以通过深耕、晒垡、高起垄、降低地下水位等技术措施，加速土壤有机质矿化。本研究通过对比3个稻作烟区的有机质含量分布特征，发现其在湘南3个植烟土壤之间存在显著差异，长沙烟区在不同土层的有机质含量均为最低。唐春闺等[6]研究发现，长沙植烟土壤有机质含量在2000-2014年之间下降了8.89%，而高旭等[21]研究发现郴州植烟土壤有机质在2000-2015年增加了2.59g/kg。因此，不同烟区应根据当地的土壤肥力状况制定适宜烤烟生长的施肥体系和管理措施。

土壤速效养分是不经转化能迅速被作物直接吸收利用的土壤营养元素[22]。本研究结果表明，湘南植烟土壤有机质与碱解氮在不同土层下均表现出极强的线性关系，这与王艳杰等[23]研究结果基本一致。烟草是喜钾作物，钾素的充足供应对其生长发育、产量和品质以及卷烟制品的安全性均具有重要作用，土壤速效钾虽然只占土壤全钾含量的2%，但被看作是反映植烟土壤钾素丰缺的重要指标[24-26]。有机质含量与速效钾含量存在着极显著的相关关系[26-27]，土壤碱解氮随着土壤有机质增加而增加，且关联系数以碱解氮最高，速效钾次之，有效磷最低[15]，这与本研究结果较为相似。

4 结论

湘南稻作烟区植烟土壤有机质含量均值为25.80g/kg，处于适宜水平，亚表土层有机质含量较表土层下降了35.64%。不同地区之间，长沙烟区的有机质含量在不同土层表现均为最低，应当增施有机肥来提高土壤的供肥能力，同时要通过深耕等措施来促进表土层有机质矿化；衡阳和郴州表土层有机质含量偏高，要通过深耕、高起垄等措施加速有机质矿化。土壤有机质和碱解氮、速效钾含量之间在不同土层均存在极显著的线性关系。有机质与速效养分在各土层之间的相关性均表现为碱解氮最强，速效钾次之，有效磷最弱。在同一土层，土壤碱解氮和速效钾随着有机质水平升高而升高，有效磷则受有机质水平影响较小。